Bài giảng Cơ sở kỹ thuật viễn thông: Điều chế biên độ
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở kỹ thuật viễn thông: Điều chế biên độ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Tài liệu đính kèm:
- bai_giang_co_so_ky_thuat_vien_thong_dieu_che_bien_do.ppt
Nội dung text: Bài giảng Cơ sở kỹ thuật viễn thông: Điều chế biên độ
- Cơ sở kỹ thuật viễn thông Điều chế biên độ 1 7/2/2021
- Truyền thông băng cơ sở và truyền thông sóng mang • Truyền thông băng cơ sở: Truyền thông không sử dụng điều chế (thông tin được truyền ở dạng gốc) - Không dịch tần số của tín hiệu. • Truyền thông sóng mang: Truyền thông sử dụng các kỹ thuật điều chế nhằm chuyển đổi dải tần số của tín hiệu tin. • (AM, FM, PM, FSK, PSK, QAM, ) 2 7/2/2021
- Truyền thông băng cơ sở • Khái niệm băng cơ sở được gán cho một dải tần số của tín hiệu phát ra từ nguồn, trong đó dải tần số của tín hiệu nằm xung quanh tần số 0. • Đối với điện thoại: băng cơ sở là dải âm tần (tần số của tín hiệu âm thanh) chiếm từ 0 - 4000 Hz • Tivi : băng cơ sở là dải tần của tín hiệu video chiếm từ 0 - 6 MHz • Dữ liệu số PCM (A/D): sử dụng mã đường là lưỡng cực với tốc độ f0 bps, băng cơ sở của nó chiếm từ 0 – f0 Hz. 3 7/2/2021
- Truyền thông băng cơ sở • Các tín hiệu điều chế xung: • PAM (Pulse Amplitude Modulation:điều chế biên độ xung ) • PWM (PULSE WIDTH MODULATION: điều chế độ rộng xung) • PPM (PULSE POSITION MODULATION: điều chế vị trí xung) • PCM (PULSE CODE MODULATION: Điều chế xung mã) • Mặc dù sử dụng thuật ngữ điều chế nhưng các tín hiệu trên vẫn là tín hiệu băng cơ sở. 4 7/2/2021
- Truyền thông băng cơ sở • Tín hiệu băng cơ sở có công suất lớn ở các tần số thấp. • Tín hiệu băng cơ sở không thể truyền qua đường vô tuyến (ngoài không gian tự do.) • Tín hiệu băng cơ sở phù hợp cho việc truyền dẫn trên dây đồng hay trên sợi quang. Ví dụ: • Truyền dẫn tín hiệu thoại trong tổng đài nội vùng. • Truyền dẫn giữa các tổng đài nội vùng (sử dụng PCM) 5 7/2/2021
- Truyền thông sóng mang • Được sử dụng khi không thể truyền băng cơ sở thông qua không gian tự do. • Sử dụng các phương pháp điều chế để chuyển đổi băng tần tín hiệu. • Cho phép ghép nhiều tín hiệu, truyền đồng thời mà không bị giao thoa. • Cho phép chế tạo được các anten với kích cỡ nhỏ. 6 7/2/2021
- Điều chế biên độ • Trong điều chế biên độ, biên độ của sóng mang tần số cao được điều chế (biến đổi ) tỷ lệ với biên độ tức thời của tín hiệu tin để tạo ra tín hiệu điều chế có đường bao mang thông tin. • Hay, biên độ của sóng mang tỷ lệ với tín hiệu tin. •Tốc độ lặp lại hình bao của tín hiệu điều chế chính là tần số của tín hiệu tin. 7 7/2/2021
- Điều chế biên độ Bộ điều chế AM: có hai đầu vào , một đầu ra Tín hiệu sóng mang tần số cao Phát thanh quảng bá AM (550 kHz - 1600 kHz) AM MODULATOR Tín hiệu điều chế AM Tín hiệu tin tần số thấp (MODULATING WAVE) • Có thể là tín hiệu đơn tần (TONE) hay • Tín hiệu phức tạp (Đa tần) - tiếng nói: 300 Hz - 4000 Hz 8 7/2/2021
- Điều chế biên độ •Một số tính chất: • Tương đối rẻ • Chất lượng thấp, hoạt động kém trong môi trường nhiễu • Được sử dụng phổ biến cho hệ thống phát thanh quảng bá • Sử dụng cho hệ thống điện đàm (CB radio) 9 7/2/2021
- Các kiểu điều chế biên độ • Có một số kiểu điều chế biên độ: • DSB-SC (Double SideBand Suppress Carrier : Điều chế biên độ triệt tiêu sóng mang) • DSB-FC (Double SideBand Full Carrier: Điều chế biên độ AM) • SSB-SC (Single SideBand Suppress Carrier: Điều chế đơn biên triệt tiêu sóng mang) • SSB-FC (Single SideBand Full Carrier : điều chế đơn biên ) • VSB (Vestigal SideBand) DSB-FC được sử dụng phổ biến hay còn được gọi là AM. 10 7/2/2021
- Điều chế biên độ DSB-FC AM (AM) 11 7/2/2021
- AMPLITUDE MODULATION (DSB-FC) AM Vam(t) = Ec + m(t)cosct Biên độ sóng mang tỷ lệ với tín hiệu tin 12 7/2/2021
- Điều chế biên độ (DSB-FC) For Ec(t) = Ec cos 2 fct VÀ Em(t) = Em cos 2 fmt Modulated Signal : Vam(t) = (Ec + Em cos 2 fmt) (cos 2 fct) Em = Vam(t) = Ec(1+ cos 2 fmt) (cos 2 fct) Ec 1 1 Given: (cos X )(cosY ) = cos(X −Y ) + cos(X +Y ) 2 2 We get : Vam(t) = Ec cos 2 fct + Ec cos 2 fct cos 2 fmt Which gives : Ec Vam(t) = Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm)t + cos 2 ( fc + fm)t 2 13 7/2/2021
- Sơ đồ điều chế DSB-FC Bộ cộng Bộ nhân • Biên độ của sóng mang không bị ảnh Ec hưởng bởi quá trình điều chế AM. Em(t) = Em cosmt cosct Ec Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm)t + cos 2 ( fc + fm)t 2 14 7/2/2021
- Phổ tín hiệu DSB-FC M () Bản tin BANDWITH: Bm = fm Bm 0 2 fm = m Sóng mang Tín hiệu DSB-FC LSB USB 1 DSB() = E ( − )+ ( + )+ [M ( − ) + M ( + )] c c c 2 c c 0 c −m c c +m Độ rộng băng của tín hiệu DSB-FC : B = 2Bm 15 7/2/2021
- Phổ tín hiệu DSB-FC Tín hiệu điều chế AM có phổ tập trung xung quanh tần số fc, bao gồm hai dải biên tần: USB (dải tần trên) là những tần số lớn hơn fc, LSB (dải tần dưới) là những tần số nhỏ hơn fc. Ec Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm)t + cos 2 ( fc + fm)t 2 LSB USB 2 fm Phổ AM có một tần số tại fc. Tức là tần số của sóng mang vẫn tồn tại trong tín hiệu điều chế. Điều này sẽ làm đơn giản việc thiết kế các thiết bị thu AM. 16 7/2/2021
- Phổ tín hiệu DSB-FC Trường hợp tín hiệu tin là đơn tần. Ec Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm)t + cos 2 ( fc + fm)t 2 let m = 17 7/2/2021
- Tín hiệu DSB-FC 18 7/2/2021
- DSB-FC: Hệ số điều chế Sóng mang: Vc(t) = Ec sin 2 fct OR Ec cos 2 fct Tín hiệu tin: Vm(t) = Em sin 2 fmt OR Em cos 2 fmt Em • Thừa số điều chế Hệ số điều chế: = • Hệ số điều chế Ec Phần trăm điều chế Em M = x 100% Ec Dải của M: 0% 100% trong đó: M 100%, điều chế quá mức (i.e. méo) 19 7/2/2021
- Phần trăm điều chế (M) Em M = x 100% Ec Phần trăm điều chế chỉ ra phần trăm biên độ tín hiệu ra bị thay đổi khi tín hiệu sóng mang bị điều chế bởi tín hiệu tin. 20 7/2/2021
- Tín hiệu DSB-FC Biên độ của tín hiệu điều chế: V = Ec + Em Em V max = Ec + Em ; V min = Ec − Em Em Ta có: = Em = Ec Ec Do đó: V max = Ec + Ec = (1+ )Ec V min = Ec − Ec = (1− )Ec Với 100% MODULATION: =1;V max = 2Ec;V min = 0 50% MODULATION: = 0.5;V max =1.5Ec;V min = .5Ec 0% MODULATION = 0;V max = Ec;V min = Ec 21 7/2/2021
- Tín hiệu DSB-FC 22 7/2/2021
- Tín hiệu DSB-FC V max = Ec + Em ; V min = Ec − Em 1 Giả sử: Em = (V max −V min) 2 • Tín hiệu tin chỉ có một tần số 1 • Quá trình điều chế là đối xứng Ec = (V max +V min) 2 Em V max −V min = = Ec V max +V min Em 1 Eusf = Elsf = = (V max −V min) 2 4 EUSF = Biên độ tần số dải tần trên ELSF = Biên độ tần số dải tần dưới 23 7/2/2021
- Tín hiệu DSB-FC Tín hiệu tin Sóng mang 50% điều chế 100% điều chế 24 7/2/2021
- DSB-FC ví dụ 1 Cho bộ điều chế AM, tần số sóng mang 100Khz, tần số cao nhất của tín hiệu tin là 5 khz. Tính: Khoảng tần số hai dải biên: (100 - 5) kHz TO 100 kHz = 95 kHz TO 100 kHz = LSB 100 kHz TO (100 + 5) kHz = 100 kHz TO 105 kHz = USB Độ rộng băng của tín hiệu điều chế B = 2 fm = 2 x 5 kHz = 10 kHz Tần số dải tần trên và dưới khi tín hiệu tin có một tần số là 3 Khz. (100 - 3) kHz = 97 kHz = LSF (100 + 3) kHz = 103 kHz = USF 25 7/2/2021
- DSB-FC ví dụ 2 Cho tín hiệu AM có dạng sóng dưới đây: Xác định: 26 7/2/2021
- DSB-FC ví dụ 2 Biên độ tần số dải tần trên và dưới: Em 1 Eusf = Elsf = = (V max −V min) 2 4 1 Eusf = Elsf = (18 − 2) = 4V 4 Biên độ của sóng mang: 1 1 Ec = (V max +V min) = (18 + 2) =10V 2 2 Biên độ của tín hiệu tin: 1 1 Em = (V max −V min) = (18 − 2) = 8V 2 2 27 7/2/2021
- DSB-FC ví dụ 2 Hệ số điều chế Em V max −V min 8 = = = = 0.8 Ec V max +V min 10 Phần trăm điều chế Em M = x 100% = 0.8x100% = 80% Ec V max −V min 18 − 2 M = x100% = x100% = 80% V max +V min 18 + 2 28 7/2/2021
- DSB-FC ví dụ 3 ONE INPUT TO A CONVENTIONAL MODULATOR IS A 500 kHz CARRIER WITH AN AMPLITUDE OF 20 Vp. THE SECOND INPUT IS A 10 kHz MODULATING SIGNAL THAT IS OF SUFFICIENT AMPLITUDE TO CAUSE A CHANGE IN THE OUTPUT WAVE OF 7 . 5 Vp . DETERMINE: UPPER AND LOWER SIDE FREQUENCIES (500 + 10) kHz = 510 kHz = USF (500 - 10) kHz = 490 kHz = LSF MODULATION COEFFICIENT AND PERCENT MODULATION 7.5 = = 0.375 20 7.5 M = x100% = 37.5% 20 29 7/2/2021
- DSB-FC ví dụ 3 PEAK AMPLITUDE OF THE MODULATED CARRIER Ec (MODULATED) = Ec (UNMODULATED) = 20 Vp UPPER AND LOWER SIDE FREQUENCY VOLTAGES Em Ec 0.375(20) Eusf = Elsf = = = = 3.75Vp 2 2 2 MAXIMUM AND MINIMUM AMPLITUDES OF THE ENVELOPE V max = Ec + Em ; V min = Ec − Em V max = 20 + 7.5 = 27.5Vp V min = 20 − 7.5 =12.5Vp 30 7/2/2021
- Công suất DSB-FC Công suất tiêu tán của sóng mang trên điện trở R là: 2 2 (0.707Ec) Ec Pc = = R 2R Em Ec Ta có : Eusf = Elsf = = 2 2 2 2 2 Ec Pusb = Plsb = = Pc 8R 4 Công suất tổng của tín hiệu AM là: Pt = Pc + Pusb + Plsb 31 7/2/2021
- Công suất DSB-FC Pt = Pc + Pusb + Plsb 2 2 2 Pc Pc Pc Pt = Pc + + = Pc + 4 4 2 2 Pt = Pc (1+ ) 2 Công suất sóng mang ở trong tín hiệu điều chế = Công suất sóng mang chưa điều chế (Công suất sóng mang không bị ảnh hưởng bởi quá trình điều chế) 32 7/2/2021
- Công suất DSB-FC 2 Pt = Pc (1+ ) 2 Công suất tổng cộng tăng khi hệ số điều chế tăng Pt 2 2 2 Ec Pusb = Plsb = = Pc 8R 4 33 7/2/2021
- Công suất DSB-FC 2 2 Pt = Pc (1+ ) Pusb = Plsb = Pc 2 4 let m = 34 7/2/2021
- Công suất DSB-FC 2 2 Pt = Pc (1+ ) Pusb = Plsb = Pc 2 4 Với điều chế 100%, : =1 1 1 Pusb = Plsb = Pc Pusb + Plsb = Pc 4 2 1 Pt = Pc (1+ ) =1.5Pc 2 Nhược điểm của DSB-FC : Thông tin nằm trong hai dải biên, trong khi công suất chủ yếu lại tập trung tại sóng mang. 35 7/2/2021
- Công suất DSB-FC • Ưu điểm của AM là có thể thiết kế các bộ thu với giá thành rất rẻ. • Sóng mang không mang tin tức, công suất trên nó là hao phí. 36 7/2/2021
- Ví dụ DSB-FC Vc = 10 Vp, RL = 10 Ohms, hệ số điều chế bằng 1, Xác đinh: Công suất sóng mang 2 2 Ec 10 Pc = = = 5W 2R 2(10) Công suất dải tần trên và dưới: 2 1(5) Pusb = Plsb = Pc = =1.25W 4 4 Công suất cả hai dải tần: 2 1(5) Pusb + Plsb = Pc = = 2.5W 2 2 37 7/2/2021
- Ví dụ DSB-FC FOR AN AM DSB-FC WAVE WITH A PEAK UNMODULATED CARRIER VOLTAGE Vc = 10 Vp, A LOAD RESIATANCE OF RL = 10 Ohms, AND A MODULATION INDEX OF 1, DETERMINE: Công suất tổng cộng: 2 12 Pt = Pc (1+ ) = 5(1+ ) = 7.5W 2 2 Phổ công suất 38 7/2/2021
- Điều chế AM của tín hiệu tổng hợp Trong tất cả phân tích ở trên ta đều giả sử rằng tín hiệu tin là đơn tần (TONE). Trong thực tế, tín hiệu tin thường là tín hiệu tổng hợp (bao gồm nhiều thành phần tần số) 39 7/2/2021
- Điều chế AM của tín hiệu tổng hợp Nếu tín hiệu tin có hai thành phần tần số, thì, tín hiệu điều chế sẽ bao gồm thành phần sóng mang và 2 dải biên, mỗi dải 2 tần số: Ec 1 Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm1)t + cos 2 ( fc + fm1)t 2 + Ec 2 Ec cos 2 fct + cos 2 ( fc − fm2)t + cos 2 ( fc + fm2)t 2 40 7/2/2021
- Điều chế AM của tín hiệu tổng hợp Khi tín hiệu tin có nhiều tần số, hệ số điều chế được tính bởi: 2 2 2 2 t = 1 + 2 + 1 ++ n hệ số điều chế của tần hệ số điều chế của tần số thứ nhất trong tín số thứ hai trong tín hiệu hiệu tin tin 41 7/2/2021
- Sự phân bố công suất của AM Công suất của sóng mang, hai dải tần 2 2 (0.707Ec) Ec Nhớ lại: Pc = = R 2R Em Ec Eusf = Elsf = = 2 2 2 2 2 t Ec t Ta có: Pusbt = Plsbt = = Pc 8R 4 Công suất hai dải tần: 2 t Psbt = Pc 2 42 7/2/2021
- Sự phân bố công suất của AM Công suất tổng: Pt = Pc + Psbt 2 t Pt = Pc (1+ ) 2 Chú ý: hệ số điều chế phải <=1 (không điều chế quá mức) 43 7/2/2021
- Ví dụ DSB-FC Pc = 100 W, được điều chế bởi 3 tín hiệu sin có các hệ số điều chế sau: 1 = 0.2, 2 = 0.4, 3 = 0.5 Tính Hệ số điều chế tổng: 2 2 2 t = 0.2 + 0.4 + 0.5 = 0.67 Công suất hai dải tần 2 t 0.67(100) Psbt = Pc = = 22.445W 2 2 Tổng công suất phát: 0.672 Pt =100(1+ ) =122.445W 2 44 7/2/2021
- Phát tín hiệu AM Sử dụng sơ đồ điều chế của DSB-SC chỉ có điều thay tín hiệu lối vào bởi Ec + m(t): Ec + m(t)instead of m(t) m(t)C(t) MULTIPLIER MODULATOR Ec + m(t) C(t) = cosct 45 7/2/2021
- Giải điều chế AM Giải điều chế bằng phương pháp kết hợp: tín hiệu sóng mang được khôi phục lại phía máy thu. Giải điều chế không kết hợp: không cần tách sóng mang tại máy thu. Áp dụng đối với trường hợp hệ số điều chế nhỏ hơn 1. (tách sóng đường bao) 46 7/2/2021
- Giải điều chế bằng phương pháp kết hợp. MULTIPLIER MODULATOR [Ec + m(t)]coswct C(t) = cosct 47 7/2/2021
- Tách sóng đường bao (Envelop Detector) 48 7/2/2021
- AMPLITUDE MODULATION DSB-SC AM (Điều chế biên độ triệt sóng mang) 49 7/2/2021
- DSB-SC • MESSAGE SIGNAL = m(t) = Em cosmt M () • CARRIER SIGNAL = C(t) = Ec cosct C() • MODULATED SIGNAL = m(t)C(t) = EmEc cosmt cosct 1 1 = 2 f (cos X )(cosY) = cos(X +Y) + cos(X −Y) 2 2 EmEc cos(c +m)t + cos(c −m)t 2 EmEc m(t)cosct (c +m) +(c −m) 2 50 7/2/2021
- DSB-SC m(t)C(t) MULTIPLIER MODULATOR m(t) = cosmt C(t) = cosct EmEc cos(c +m)t + cos(c −m)t 2 51 7/2/2021
- Phổ DSB-SC M () Tín hiệu tin BANDWITH: Bm = fm Bm −m 0 2 fm = m Tín hiệu điều chế (DSB-SC AM) LSB USB DSB() 0 c −m c c +m BW OF THE MODULATED SIGNAL IS: B = 2Bm 52 7/2/2021
- Phổ DSB-SC Gồm hai dải tần: USB, LSB EmEc cos(c +m)t + cos(c −m)t 2 LSB USB 2 fm Phổ DSB-SC không có thành phần tần số sóng mang fc 53 7/2/2021
- Sơ đồ điều chế DSB-SC m(t)C(t) MULTIPLIER MODULATOR m(t) C(t) = cosct 54 7/2/2021
- Sơ đồ giải điều chế DSB-SC Giải điều chế bằng phương pháp kết hợp: tín hiệu sóng mang được khôi phục lại phía máy thu. MULTIPLIER MODULATOR [Ec + m(t)]coswct C(t) = cosct 55 7/2/2021
- Đặc điểm của hệ thống triệt tiêu sóng mang (SC) • Hệ thống SC cần các bộ thu phức tạp để phát sóng mang với tần số và pha đồng bộ với bên phát để giải điều chế • Hệ thống SC sử dụng công suất hiệu quả hơn (so với DSB-FC/SSB-FC) • Hệ thống SC được sử dụng trong truyền thông điểm - điểm (1 thu và 1 phát) • Hệ thống FC được sử dụng trong hệ phát thanh quảng bá do nó đơn giản được thiết bị thu. 56 7/2/2021